新型節(jié)水閥的研究

郭鵬程

(陜西理工學(xué)院機(jī)械工程訓(xùn)練中心，陜西漢中 723003)

傳統(tǒng)的水龍頭是通過(guò)人為干涉對(duì)水開(kāi)和關(guān)進(jìn)行控制，但是有時(shí)由于打開(kāi)水龍頭恰好管道無(wú)水或使用過(guò)程中突然停水，人們往往會(huì)忘記關(guān)閉節(jié)水閥而去，當(dāng)來(lái)水時(shí)就會(huì)造成白白流失。雖然市場(chǎng)上出現(xiàn)各種節(jié)水閥如感應(yīng)閥、延時(shí)閥等，但這些節(jié)水閥不具備無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉的功能。基于流體力學(xué)原理，設(shè)計(jì)了一種無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥，不僅可以調(diào)節(jié)流量，而且還能實(shí)現(xiàn)無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉功能，即無(wú)水時(shí)節(jié)水閥處于打開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)再次來(lái)水，在水壓力的作用下節(jié)水閥自動(dòng)關(guān)閉;若用水時(shí)，先手動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥，然后再開(kāi)啟即可正常使用。

1 傳統(tǒng)水龍頭

傳統(tǒng)水龍頭是由手柄、螺桿、閥蓋、閥芯、密封墊和閥體組成。正常使用時(shí)，旋轉(zhuǎn)手柄使螺旋桿下移，驅(qū)使閥芯下壓密封墊，節(jié)水閥關(guān)閉;反向旋轉(zhuǎn)手柄、螺桿上移，閥芯和密封墊在水沖力作用下也隨之上移，進(jìn)水口隨之打開(kāi)，并對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的水龍頭靠人為因素對(duì)其進(jìn)行控制，不具備自控功能。

2 無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥

來(lái)水前如果節(jié)水閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，一旦來(lái)水無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

2.1 結(jié)構(gòu)

圖1為無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥，由手柄、螺桿、閥蓋、閥套、閥芯、Y型密封圈、密封墊和閥體組成。

圖1 無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥

閥芯與螺桿聯(lián)接，閥芯上安裝Y型密封圈密封，與閥套間隙配合。閥套底面有一細(xì)小孔，該孔用于連通進(jìn)水口與閥套和閥芯之間的空腔。

2.2 工作原理

無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥可通過(guò)4個(gè)工作過(guò)程分析:第一個(gè)階段——關(guān)閉階段，如圖2(a)所示。

圖2 工作原理

旋緊手柄使螺桿下移，閥芯也隨之下移，驅(qū)使閥套移動(dòng)至進(jìn)水口，擠壓密封墊，節(jié)水閥關(guān)閉。一般情況下橡膠當(dāng)密封墊擠壓11%～20%時(shí)，根據(jù)材料力學(xué)［1］F=EAΔl/l，密封進(jìn)水口密封墊所需的密封力:

第二階段——開(kāi)啟階段，如圖2(b)所示。開(kāi)啟瞬間，由于閥套底面外表面與進(jìn)水口接觸，水壓力對(duì)閥套向上的作用力為:

式中:p為管道水的壓力。

當(dāng)該作用力大于閥套和密封墊的重力G時(shí)，閥套隨閥芯上移，即:

當(dāng)閥套上移到某一高度時(shí)，如圖2(b)所示，閥套底面水壓力減小為p0，水壓對(duì)閥套底面的作用面積增大，當(dāng)滿(mǎn)足以下條件:

閥套停留在某一高度，進(jìn)水口打開(kāi)，節(jié)水閥開(kāi)啟，隨著閥套高度的變化，對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在節(jié)水閥開(kāi)啟過(guò)程中，水壓的波動(dòng)會(huì)造成閥套相對(duì)于閥芯在一定情況下出現(xiàn)上下浮動(dòng)，瞬間閥芯與閥套之間出現(xiàn)空腔，如圖2(c)所示。

水壓經(jīng)過(guò)細(xì)小孔d0進(jìn)入空腔，由于水流經(jīng)小孔產(chǎn)生壓降、以及Y型密封圈泄漏，空腔內(nèi)的壓力為p1，當(dāng)條件滿(mǎn)足:

閥套仍在此高度滯留，節(jié)水閥保持開(kāi)啟狀態(tài)。

第三階段——自動(dòng)關(guān)閉，如圖2(d)所示。如果停水時(shí)節(jié)水閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，閥芯滯留在原來(lái)的位置，而閥套在自重的作用下移至出水口，閥芯與閥套之間形成空腔。

節(jié)水閥處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)際上水壓越大自動(dòng)關(guān)閉密封效果越好。

第四階段——再次開(kāi)啟。當(dāng)節(jié)水閥處于無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，若需要用水時(shí)，先旋轉(zhuǎn)手柄，閥芯下移，驅(qū)使閥套下移直至其空腔消失，密封進(jìn)水口，如圖2(d)所示。再次打開(kāi)水龍頭時(shí)，整個(gè)過(guò)程與第一階段相同，實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟功能。

3 技術(shù)關(guān)鍵

文中有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):(1)保證節(jié)水閥順利開(kāi)啟，(2)保證良好的自動(dòng)關(guān)閉。

通過(guò)式 (3)、(4)可以看出，開(kāi)啟時(shí)要求閥套內(nèi)直徑d1和細(xì)小孔直徑d0值比較小、自動(dòng)關(guān)閉時(shí)比較大。在這兩個(gè)階段對(duì)該參數(shù)的要求恰恰是一對(duì)矛盾，要保證這兩個(gè)階段的良好性能，必須協(xié)調(diào)好進(jìn)水口直徑、閥套內(nèi)直徑和細(xì)小孔直徑之間的相互關(guān)系，通過(guò)Y型密封圈協(xié)助完成。

3.1 Y形密封圈

Y型密封圈具有較好的適應(yīng)性，可補(bǔ)償較大的公差，它與閥套配合使用，對(duì)控制性能起著決定性的作用。

為了保證節(jié)水閥在開(kāi)啟狀態(tài)下，因停水閥套在自重作用下能自由下移，要求Y型密封圈與閥套之間不需要預(yù)緊力，采用間隙配合;當(dāng)來(lái)水時(shí)，經(jīng)細(xì)小孔進(jìn)入空腔內(nèi)的水壓能快速使Y型密封圈唇邊外脹、密封，使空腔瞬間具有足夠的壓力作用在閥套底面上表面，起到自動(dòng)關(guān)閉的作用，這就要求Y型密封圈與閥套采用小間隙配合。

考慮橡膠密封圈制作精度，選取Y型密封圈與閥套的配合為H8/e9較為適宜。

3.2 細(xì)小孔直徑d0

細(xì)小孔的主要作用是在無(wú)水自閉狀態(tài)下，連通進(jìn)水口和空腔，使水壓能迅速充滿(mǎn)空腔，使Y型密封圈唇邊外脹、閥套密封。因?yàn)閅型密封圈與閥套之間的間隙會(huì)產(chǎn)生一定的泄漏，這就要求流經(jīng)細(xì)小孔的流量必須遠(yuǎn)大于因Y型密封圈與閥套之間間隙而產(chǎn)生的泄漏量，即細(xì)小孔直徑盡可能大。但是同時(shí)還要保證節(jié)水閥開(kāi)啟時(shí)閥套底面有足夠的作用面積，即細(xì)小孔直徑盡可能小。

首先考慮自動(dòng)關(guān)閉，根據(jù)伯努利方程流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)小孔流量［2］:

其中:μ為水的黏度;

l0為細(xì)小孔長(zhǎng)度。

流經(jīng)Y型密封圈與閥套之間環(huán)狀縫隙的流量［3］:

其中:p2為閥體內(nèi)的壓力;

l1為閥芯的配合長(zhǎng)度;

δ1為閥芯與閥套的間隙。

由于閥體與出水口相連，所以p2≈0。

根據(jù)以上可推導(dǎo)出:

其次考慮開(kāi)啟。開(kāi)啟要求閥套底面下表面具有足夠的作用面積，所以要求閥套內(nèi)徑d1和細(xì)小孔直徑d0滿(mǎn)足式 (2)— (4)。

4 舉例

實(shí)驗(yàn)所用:節(jié)水閥公稱(chēng)通徑d=10 mm，城市生活用水一般供水壓力p=3×105Pa。根據(jù)進(jìn)水口直徑，取橡膠密封墊直徑為16 mm、厚度3 mm，彈性模量E=3×10－3GPa。考慮要達(dá)到自動(dòng)密封效果，取閥套直徑20 mm，閥芯與閥套配合采用φ20H8/f7(最大間隙0.074 mm)，配合長(zhǎng)度l1=5 mm。根據(jù)具體情況，取細(xì)小孔長(zhǎng)度l0=6 mm。

根據(jù)式 (1)計(jì)算密封所需要的密封力:

根據(jù)式 (4)和 (5)聯(lián)立求細(xì)小孔直徑:

d0＞1.7 mm

考慮開(kāi)啟能順利進(jìn)行，根據(jù)式 (2)— (4)，取d0=2.5 mm。

5 結(jié)論

無(wú)水自閉節(jié)水閥根據(jù)壓力作用的面積差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉功能。正常有水時(shí)，閥套在水壓力作用下隨閥芯移動(dòng)、并對(duì)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。無(wú)水時(shí)當(dāng)節(jié)水閥處于打開(kāi)狀態(tài)，閥套在自重的作用下移動(dòng)至進(jìn)水口表面，閥套與閥芯之間形成空腔。來(lái)水時(shí)水壓經(jīng)細(xì)小孔作用在空腔底面的面積大于水壓作用在閥套外底面 (進(jìn)水口)面積，閥套受到作用力的合力向下，壓縮密封墊進(jìn)而密封進(jìn)水口。水壓越大，密封效果越好。

操作事項(xiàng)如下:

(1)有水正常使用與傳統(tǒng)節(jié)水閥相同。

(2)無(wú)水而節(jié)水閥處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，來(lái)水時(shí)，節(jié)水閥內(nèi)部處于關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)水閥無(wú)水流出。

(3)需要用水時(shí)，先手動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥，然后打開(kāi)即可正常使用。

(4)該節(jié)水閥適應(yīng)于管路末端，不可中端使用。

無(wú)水自動(dòng)關(guān)閉節(jié)水閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、操作與傳統(tǒng)節(jié)水閥相同，無(wú)需電能控制，適應(yīng)于家庭及公共場(chǎng)所。

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